Des parkings perméables végétalisés pour une gestion durable des eaux pluviales urbaines - Evaluation expérimentale et développement d'un outil d'aide à la conception

Green permeable parking lot for sustainable stormwater management - Experimental assessment and development of a design support tool

• Auteur / Autrice : Lucie Varnède
• Direction : Marie-christine Gromaire
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et Techniques de l'Environnement
• Date : Soutenance le 12/11/2020
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Eau, Environnement et Systèmes Urbains
• Jury : Président / Présidente : Adrien Wanko Ngnien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marie-christine Gromaire, Sylvie Barraud, Fabrice Rodriguez, Sophie Duchesne, Alexandra Finotti, David Ramier, Pierre Georgel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Barraud, Fabrice Rodriguez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Parcs de stationnement

Eaux pluviales -- Infiltration

Couverture (construction)

Mots clés libres

Modélisation

Pollution/dépollution

Parking perméable végétalisé

Gestion de l'eau à la source

Stormwater management

Pollution/remediation

Modelling

Green permeable pavement

Résumé

Le parking perméable est une technique alternative de gestion des eaux pluviales à la source. Il est capable d’infiltrer directement l’eau de pluie, et d’ainsi diminuer le ruissellement en surface et le volume d’eau collecté par les réseaux d’assainissement urbains. Les concentrations de certains polluants (nutriments, Cu, Zn, Pb) se trouvent réduites, mais un manque d’observations sur la rétention des micropolluants organiques a été constaté dans la littérature. Les études sur les parkings perméables de types végétalisés sont aussi très parcellaires, voire inexistantes dans le domaine de la modélisation, qui représente pourtant un outil indispensable pour l’aménagement urbain. Ce travail de thèse s’intéresse donc à évaluer les performances hydrologiques et de rétention des polluants de différents types de parkings perméables développés par la société ECOVEGETAL®, dans le cadre d’une collaboration CIFRE avec les laboratoires du LEESU et du Cerema Île de France, et du projet de recherche Roulépur qui vise à évaluer, en conditions réelles, des solutions de maîtrise à la source de la contamination des eaux de voirie et de parking.Le suivi hydrologique in situ de trois places de parkings perméables de 13,26 m² (1 minéral et 2 végétalisés) et d’un parking perméable végétalisé de 630 m² a souligné une capacité de rétention d’eau importante des systèmes végétalisés (coefficients d’écoulements (CE) compris entre 0,09 et 0,42), ainsi qu’une capacité à écrêter les débits impliquant une réduction des pics de débits (médianes comprises entre 76 et 84 %).Les données hydrologiques ont aussi servi au calage du modèle SWMM pour évaluer sa capacité à reproduire le comportement hydrologique des parkings perméables végétalisés. Pour un des systèmes végétalisés (ECOVEGETAL® Mousses), le calage a permis d’obtenir un jeu de paramètres permettant d’avoir des indicateurs de performances (CE, abattements des hauteurs d’eau, abattements des débits de pointe, etc.) similaires entre les données simulées et observées. Pour le second système végétalisé (ECOVEGETAL® Green), SWMM n’a pas réussi à reproduire le comportement du parking, ce qui semble s’expliquer par la manière dont les couches sont reproduites dans le modèle et un manque de discrétisation des calculs dans chaque couche.En ce qui concerne la qualité des eaux, malgré quelques polluants émis par les matériaux et par le drain en PVC (Na, K, Ca, As, Cr, Mo, Sr, V, BPA, NP et NP1EC) le parking perméable végétalisé étudié a montré un bon abattement des concentrations d’une partie des polluants grâce à la filtration des particules (MES : 88 %, Cu : 49 %, ∑16HAP : 82 %, DEHP : 90). Cependant, l’analyse des polluants dans la phase dissoute, montre une augmentation des concentrations en sortie de parking perméable pour une partie des polluants (NO3- : - 206%, Cu : - 8%, DNP : - 12%. L’atout majeur du parking perméable réside dans sa capacité de rétention d’eau, qui permet un abattement des masses événementielles (entre 22 et 99 %) et annuelles (entre 57 et 100 %) de presque tous les polluants étudiés, excepté pour K et Mo. Des tests en colonnes de structures de parkings alternatives, visant une meilleure rétention des polluants, notamment en phase dissoute, souligne encore l’importance de la rétention d’eau dans la rétention des masses de polluants. Ainsi, l’ajout de matière organique et d’une natte à rétention d’eau, bien que sources de contaminants également (Na, K, Mg, Ca, Cu, Mo, NP, Ba, DEHP, OP1EO pour la MO et HAPs, OP1EO, NP1EC, NP1EO et NP2EO pour la natte), a amélioré la capacité de rétention d’eau (notamment avec la natte à rétention d’eau) et par conséquent encore diminué les masses de polluants en sortie de colonnes.A l’avenir, il serait intéressant de continuer le travail de modélisation initié dans cette thèse, et de pousser plus loin la caractérisation des matériaux pour mieux comprendre leur rôle dans la rétention d’eau et de polluants, et améliorer ces performances le cas échéant.

Permeable parking is an alternative technique for managing rainwater at the source. It is capable of directly infiltrating rainwater, thus reducing surface runoff and the volume of water collected by urban collection networks. The concentrations of certain pollutants (nutrients, Cu, Zn, Pb) are reduced, but a lack of observations on the retention of organic pollutants has been observed in the literature. Studies on permeable parking lots of vegetated types are also very patchy or even non-existent in the field of modelling, which is an indispensable tool for urban management. Therefore this PhD thesis is evaluating the hydrological and pollutant retention performances of different types of permeable parking lots developed by the company ECOVEGETAL®, in the framework of a CIFRE collaboration with the laboratories of LEESU and Cerema Île de France, and of the Roulépur research project, which aims to evaluate, under real conditions, solutions for controlling the source of contamination of road and parking lot water.In situ hydrological monitoring of three 13.26 m² permeable parking spaces (1 with gravels and 2 with vegetation) and one 630 m² green permeable parking lot, highlighted a significant water retention capacity from the vegetated systems (flow coefficients between 0.09 and 0.42), as well as a capacity to reduce flows during an event, implying a reduction in peak flows (medians between 76 and 84%) and longer flushing times (up to several tens of days).Hydrological data were also used to calibrate the SWMM model to assess its ability to reproduce the hydrological behaviour of green permeable parking lots. For one of the vegetated systems (ECOVEGETAL® Mousses), the calibration provided a set of parameters allowing to have similar performance indicators (flow coefficient, water level abatement, peak flow abatement, etc.) between the simulated and observed data. For the second vegetated system (ECOVEGETAL® Green), SWMM was unable to reproduce the behaviour of the parking lot, which seems to be explained by the way the layers are reproduced in the model.Regarding water quality, despite some pollutants emitted by the materials and the PVC drain (Na, K, Ca, As, Cr, Mo, Sr, V, BPA, NP and NP1EC), the green permeable parking lot showed a good reduction in the concentrations of some of the pollutants thanks to particle filtration (TSS: 88%, Cu: 49%, ∑16PAH: 82%, DEHP: 90). However, the analysis of the pollutants in the dissolved phase, shows an increase in the concentrations at the exit of the permeable parking lot for some pollutants (NO3-: - 206%, Cu: - 8%, DNP: - 12%). The major advantage of the permeable parking lot lies in its water retention capacity, which allows pollutants loading reduction almost all the pollutants (22 to 99% at the event scale and of 57 to 100 % at the annual scale), except for K and Mo. Column tests of alternative green permeable parking lot, aimed at a better retention of pollutants, particularly in the dissolved phase, further underline the importance of water retention in the retention of pollutant loading. The addition of organic matter and a water retention mat, although also sources of contaminants (Na, K, Mg, Ca, Cu, Mo, NP, Ba, DEHP, OP1EO for organic matter and PAHs, OP1EO, NP1EC, NP1EO and NP2EO for the mat), improved the water retention capacity (especially with the water retention mat) and consequently further decreased the pollutant loading.In the future, it would be interesting to continue the modeling work initiated in this thesis, and to further characterize the materials in order to better understand their role in water and pollutant retention, and to improve these performances.